CN115638796A

CN115638796A - 一种基于折射星/非折射星信息融合与预测的快速星图识别方法

Info

Publication number: CN115638796A
Application number: CN202211139600.7A
Authority: CN
Inventors: 鹿瑞; 武延鹏; 张春明; 郑然�; 李晓
Original assignee: Beijing Institute of Control Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Control Engineering
Priority date: 2022-09-19
Filing date: 2022-09-19
Publication date: 2023-01-24

Abstract

一种基于折射星/非折射星信息融合与预测的快速星图识别方法，在星敏感器窗口跟踪模式下，根据预测姿态，可搜索出出现在视场内的导航星，优先保留折射角大的折射星，其余的星优先保留亮星，一共保留N颗满足精度要求的导航星。根据导航星在像面的投影位置，如果是折射星，在根据折射后的视位置投影。FPGA开窗后，进行星点提取。星点提取完毕后，使用标记为非折射星窗口的导航星进行星点识别及匹配，计算星敏感器的惯性姿态，用以计算星敏感器的角速度，并预测下一帧的姿态。标记为折射星的窗口在星点提取成功后，根据非折射星计算的姿态将像面位置转换为惯性矢量，将其与导航星表中对应的惯性矢量匹配，即可求得该折射星的折射角。

Description

一种基于折射星/非折射星信息融合与预测的快速星图识别方法

技术领域

本发明提出了一种折射星/非折射星信息融合与预测的快速星图识别方法，该方法属于天文导航或卫星自主导航领域。

背景技术

当星光通过大气时，由于大气密度不均匀性，光线发生折射弯向地心方向。从卫星上观测的折射光线与恒星的入射光线之间的夹角为星光折射角。星光折射角与大气密度有确定的关系，大气密度随高度变化也有较准确的模型，因此由星敏感器测量出的星光折射角信息可以计算出星光在大气层中的高度。这个高度观测量是卫星位置的函数，利用这一量测数据并结合轨道动力学方程进行滤波即可获得卫星的位置、速度等导航信息。

星敏感器是航天器完成航天任务的主要工作部件，它能为航天器提供高精度的姿态信息。利用星敏感器进行姿态测量的步骤一般可分为拍摄星图、质心提取、星图识别和姿态确定等，星图识别是星敏感器姿态测量过程中的关键步骤。星光折射自主导航技术需要同时识别导航星和折射星，星图识别技术更是航天器姿态确定过程中的关键技术。美国等国家尽管已经针对星光折射自主导航技术成功进行了飞行试验，但由于技术保密，能获得的相关资料非常有限。

在星光折射自主导航中，折射星的准确识别与折射角的精确获取是实现精度导航的基础。由于星光经过大气折射后在敏感器上所成的像与标准星图不同，用传统星图识别方法无法识别折射星，从而无法获取折射角信息。目前有两种方案，一种方案是利用多台星敏感器，一台正对天顶，获得非折射星信息，另外一台利用安装阵关系，用于观测折射星。另外一种方案是：利用一台产品同时观测折射星和非折射星。

无论方案一还是方案二都是根据姿态模拟折射星图，根据折射星图和拍摄星图比较得到折射星，这就存在以下几个问题：1)方案一中两台星敏感器的安装阵存在误差，会造成星点位置偏差；2)方案二中识别完折射星，姿态计算完再投影验证，这样就需要全图来操作，势必会限制图像的更新率，同时受存储空间和时间复杂度的约束识别星点不能太多，会约束产品的精度，无法满足日益增长的高精度高更新率的天文导航需求；3)无论方案一还是方案二，存在安装矩阵，姿态计算，质心提取等误差源，模拟星图和拍摄星图配准时如何确定合适的匹配阈值是其面联的难题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了了一种折射星/非折射星信息融合与预测的快速星图识别方法。易于实现，不受参数设置的影响，无随机不确定过程。

本发明的技术解决方案是：一种基于折射星/非折射星信息融合与预测的快速星图识别方法，包括：

将出现在视场内的导航星分类为非折射星和候选折射星；

将候选折射星优先保留进行星点提取，按照星点能量保留非折射星，亮星优先；

利用上述保留的非折射星进行姿态计算，得到姿态矩阵；

提取候选折射星，将提取的候选折射星标记为折射星；

根据折射星的像面坐标结合计算的姿态矩阵，计算折射星在星敏感器本体系的坐标；

根据折射星惯性坐标，计算折射星折射前在星敏感器本体系的坐标；

根据折射星在星敏感器本体系的坐标以及其折射前在星敏感器本体系的坐标计算输出折射星的折射角。

优选的，假设某恒星星光的方向矢量为s，符合下列方程的恒星能够被选为候选折射星：

其中θ_R为折射高度为h_a时对应的星光折射角；r＝[x y z]为载体在地心赤道惯性坐标系的位置矢量，

为其模长，代表载体到地心的距离；

平流层的厚度折射高度范围(h_a，h_b)，R_e为地球的半径。

优选的，所述的平流层的厚度折射高度选取20～50Km。

优选的，提取标记为折射星的星点坐标(u，v)，入射星光矢量即观测矢量在星敏感器本体坐标系中的坐标

需根据星点在像面的坐标(u，v)，根据小孔成像模型，得到：

其中：u星点为在像面上的列坐标，v为行坐标，(u₀,v₀)为像面中心点坐标，f为星敏感器的焦距。

优选的，根据折射角的大小对所有出现在视场里的导航星进行排序，优先保留折射角大的导航星，数量不超过34颗。

优选的，根据导航星表获得折射星发生折射前的惯性方向矢量

折射星在星敏本体系下的方向矢量

A为非折射星进行姿态计算得到姿态矩阵。

优选的，在星敏本体系中，根据折射星折射前的向量

折射后的向量

求得折射星对应的折射角

优选的，所述视场为单台星敏感器的视场。

优选的，所述提取为窗口图像提取。

优选的，提取的非折射星不少于4颗。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明无需设置阈值，可以摆脱现有方案中，模拟星图和拍摄星图配准时匹配阈值选取的难题。本发明通过折射星与非折射星信息融合与预测可以预测并保留出现在视场内的折射星，只要折射星能够被提取，就能计算出折射角，不会因为匹配阈值设置得不合适造成折射角较小的折射星不能被识别出来或误归为非折射星。在星光折射导航中每一颗折射星都非常珍贵有价值。本发明利用视场内的非折射星计算星敏感器的姿态，提高了姿态计算的准确性。

(2)本发明处理速度快，易于实现并且可应用于窗口图像中。现有的方案适用于全图操作，无法满足日益增长的高精度高更新率的天文导航技术需求。目前星敏感器一般在跟踪模式下，应用软件处理的对象是窗口图像或星点坐标，之前的方案无法使用。

(3)本发明实现简单，仅需要一台星敏感器，而且无需设置阈值，可以摆脱现有方案中，模拟星图和拍摄星图配准时匹配阈值选取的难题。

(4)本发明处理速度快，易于实现并且可应用于窗口图像中，满足目前星敏感器星图处理的需求。

附图说明

图1为本发明折射星判定原理图；

图2为本发明星图识别流程图；

具体实施方式

在星光折射自主导航中，折射星的准确识别与折射角的精确获取是实现精度导航的基础。针对目前高精度高更新率的天文导航需求，本发明的方法适用于窗口跟踪模式下，不需要根据预先得到姿态进行星图模拟和星图配准。本发明在星敏感器窗口跟踪模式下，根据预测姿态，可搜索出出现在视场内的导航星，优先保留折射角大的折射星，其余的星优先保留亮星，一共保留N颗满足精度要求的亮导航星(N≥4)。根据导航星在像面的投影位置，如果是折射星，在根据折射后的视位置投影。FPGA开窗后，进行星点提取。星点提取完毕后，使用标记为非折射星窗口的导航星进行星点识别及匹配，计算星敏感器的惯性姿态，用以计算星敏感器的角速度，并预测下一帧的姿态。标记为折射星的窗口在星点提取成功后，根据非折射星计算的姿态将像面位置转换为惯性矢量，将其与导航星表中对应的惯性矢量匹配，即可求得该折射星的折射角。本发明无需设置阈值，可以摆脱现有方案中，模拟星图和拍摄星图配准时匹配阈值选取的难题，同时处理速度快，易于实现并且可应用于窗口图像中。具体实施方式如下：

(1)根据平流层的厚度折射高度一般选取20～50Km，即图2中ha＝20Km，hb＝50Km；假设某恒星星光的方向矢量为s，则由图2得符合下列方程的恒星可以被选为候选折射星。

其中，θ_R为折射高度为20Km时对应的星光折射角，可通过大气折射模型计算得到；r＝[x y z]为载体在地心赤道惯性坐标系的位置矢量，

为其模长，代表载体到地心的距离；α和β如图1所示，可表示为

和

R_e为地球的半径。。

(2)受空间复杂度和时间复杂度的影响，可能只能保留有限个星点进行星点提取，为此优先保留折射角大的恒星进行星点提取(数量一般不超过34颗)，其余的按照星点能量排序，保留亮的导航星，标记为非折射星。为了确保姿态计算的准确性，一般要求提取的非折射星不少于4颗。

(3)提取的非折射星进行姿态计算，假设计算出的姿态矩阵为A。

(4)根据导航星表可以获得折射星发生折射前的惯性方向矢量

其在星敏本体系下的方向矢量

(5)提取标记为折射星的星点坐标(u，v)，入射星光矢量(即观测矢量)在星敏感器本体坐标系中的坐标

需根据星点在像面的坐标(u，v)，根据小孔成像模型，可以得到由下式可得到：

(6)在星敏本体系中，根据折射星折射前的向量

折射后的向量

可以求得折射星对应的折射角

(7)利用非折射星计算的姿态用于下一帧星图星点的预测

本发明未详细说明的部分属于本领域技术人员的公知常识。